CN105136648A - 土壤有效孔径及其分布参数的测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种土壤有效孔径及其分布参数的测试方法，适用于量化土壤孔隙及其分布。本发明包括步骤：第1步：测试土壤试样的孔隙比和渗透系数；第2步：测试土壤试样的孔隙迂曲度；第3步：测试土壤试样的穿透曲线；第4步：计算土壤试样孔隙的最大有效半径和最小有效半径；第5步：计算土壤试样的平均有效孔径；第6步：计算土壤试样孔径分布参数。本发明测试土壤试样有效孔径及其分布，操作简单、测试成本低；本发明是基于水在土壤试样的穿透曲线分析土壤孔径及其分布，能够避免死端孔隙对测试结果的影响；相对于压汞法等，土壤试样体积较大，测试结果能够有效反映土壤的宏观参数。

Description

土壤有效孔径及其分布参数的测试方法

技术领域

本发明涉及一种土壤有效孔径及其分布参数的测试方法，适用于量化土壤孔隙及其分布。

背景技术

土壤孔隙结构对土体的渗流过程、变形及其破坏行为都有着至关重要的影响，经常被用来探讨土体的力学机制，并用来解释、预测土体的宏观行为，如，土壤大孔隙是引起优先流、溶质迁移、地下水污染、养分流失和灌溉水浪费的关键因素，现有研究结果表明：大孔隙的存在使土壤的饱和导水率增加了几倍，且对总入渗量贡献率可达到85％，特别是直径大于1.0mm的孔隙是影响传导水流的重要因素。

多孔介质的流体力学性质与其细观结构密切相关，表征多孔介质流体力学性质的细观结构特征称为渗流结构。在一般情况下，多孔介质的渗流结构可用有效孔隙半径和迂曲度两项参数来表示。土壤是一种典型的多孔介质，目前，测量土壤渗流结构的方法主要分为两种，一种是计算机图形学方法，一种是实验法。

计算机图形学方法，首先将图像转化为灰度图像，然后选取阈值将图像转化为二值图像，阈值以上即为孔隙，最后计算二值图像中孔隙面积与总面积的比值即为孔隙度，根据所建立的数学模型计算孔隙半径和迂曲度。该方法基于土壤切片计算渗流参数，由于切片中难免存在死端孔隙，因此将测试结果运用工程实践计算时存在一定的误差。

实验法以传统的烘干法为代表，实验步骤为：首先用环刀取所需土样并称重，然后放入烘箱中于105℃下烘干24小时，取出后称重，运用相关公式计算孔隙度。烘干法具有操作简单和测试成本低等优点，但是难以掌握土壤内部的细观孔隙结构，为此研究人员提出压汞法、半渗透隔板法、离心机法、动力驱替法、气体吸附法、悬浮液过滤法等。

土壤的孔道形状复杂，影响测量结果的因素也很多，既有数学模型层面上的因素，也有测试方法、仪器设备、测试步骤和土壤试样尺寸大小等方面的因素，每种测试方法具有自身的优点和不足。

发明内容

本发明的目的是提供一种土壤有效孔径及其分布参数的测试方法。

本发明的技术方案：

第1步：测试土壤试样的孔隙比和渗透系数

用常规手段(现有技术)测试试验区域土体的渗透系数，同时现场取样测试土壤试样的密度和含水量，采用关系式1计算土壤试样的孔隙比e；

关系式1

$e=\frac{d_s{\mathrm{\ρ}}_w(1+w)}{\mathrm{\ρ}}-1$

关系式1中e为土壤试样孔隙比，d_s为土壤试样颗粒相对密度，ρ_w为水的密度，w为土壤试样的含水量，ρ为土壤试样密度；

第2步：测试土壤试样的孔隙迂曲度

利用常规手段(现有技术)测定水的表面张力、土壤试样的固液界面接触角和毛管压力曲线，采用关系式2计算土壤试样的孔隙迂曲度λ为；

关系式2

$\mathrm{\λ}=\sqrt{\frac{e}{k(1+e)}\frac{{\left(\mathrm{\σ}cos\mathrm{\θ}\right)}^2}{2}{\∫}_0^1\frac{dS}{P_c^2\left(S\right)}}$

关系式2中λ为土壤试样的孔隙迂曲度，e为土壤试样孔隙比，k为土壤试样的渗透系数，σ为水的表面张力，θ固液界面接触角，S为土壤试样饱和度，P_c(S)为毛管压力曲线；

第3步：测试土壤试样的穿透曲线

采用取土钻现场取样，将取样制作成土壤试样，土壤试样的直径为5-10cm，长度为10-20cm；制作上部有溢流管的乳胶膜，先将土壤试样装入乳胶膜中，土壤试样上端面与乳胶膜溢流管的距离为3-5cm；在试验桶(如图1所示)底部自上而下放置滤纸和透水石，再将土壤试样装入试验桶中，使乳胶膜的溢流管与试验桶的溢流孔平齐，从试验桶溢流孔中抽出乳胶膜的溢流管，将乳胶膜套在试验桶中，试验桶身内壁直径比土壤试样的直径大1-2mm；在乳胶膜中的土壤试样上部装入厚度为0.5-1.0cm的细砂后注入水，自水从土壤试样底部流出至积液容器开始，每隔3-5分钟记录一次积液容器中水的出渗量Q_c，连续记录至渗流稳定，当水在土壤试样中的流速达到其最大流速的0.99-1.0倍时判定渗流初始稳定，水初始出渗时为t₁时刻，渗流达到初始稳定时为t₂时刻；

第4步：计算土壤试样孔隙的最大有效半径和最小有效半径

采用关系式3计算土壤试样的最大有效半径R_max，采用关系式4计算土壤试样的最小有效半径R_min；

关系式3：

$R_{max}=\sqrt{\frac{4{\mathrm{u\λ}}^{2}h}{{\mathrm{\γt}}_1}}$

关系式3中R_max为土壤试样最大有效半径，u为水的动力粘滞系数，λ为土壤试样的孔隙迂曲度，h为土壤试样长度，t₁为溶液开始出渗时间，γ为水的重度；

关系式4：

$R_{min}=\sqrt{\frac{4{\mathrm{u\λ}}^{2}h}{{\mathrm{\γt}}_2}}$

关系式4中R_min为土壤试样最小有效半径，u为水的动力粘滞系数，λ为土壤试样的孔隙迂曲度，h为土壤试样长度，t₂为渗流达到初始稳定时间，γ为水的重度；

第5步：计算土壤试样的平均有效孔径

采用关系式5计算土壤试样的平均有效孔径R_A，

关系式5

$R_A=\mathrm{\δ}{\∫}_{R_{\min }}^{R_{\max }}\frac{1}{\sqrt{2\mathrm{\π}}\mathrm{\σ}ln10}\exp \[-\frac{1}{2{\mathrm{\σ}}^2}{\left(\lg \frac{R}{\mathrm{\μ}}\right)}^2\]dR$

关系式5中R_A为土壤试样的平均有效孔径，δ为土壤试样孔径的修正系数，R_max为土壤试样的最大有效半径，R_min为土壤试样的最小有效半径，R为土壤孔隙半径，σ和μ为孔径分布参数；采用关系式6计算土壤试样孔径的修正系数δ，

关系式6

$\mathrm{\δ}\mathrm{=1/}{\∫}_{R_{\min }}^{R_{\max }}\frac{1}{\sqrt{2\mathrm{\π}}\mathrm{\σ}ln10}\exp \[-\frac{1}{2{\mathrm{\σ}}^2}{\left(\lg \frac{R}{\mathrm{\μ}}\right)}^2\]dR$

关系式6中δ为土壤试样孔径的修正系数，R_max为土壤试样的最大有效半径，R_min为土壤试样的最小有效半径，R为土壤试样孔隙半径，σ和μ为孔径分布参数；

第6步：计算土壤试样孔径分布参数

建立溶液在土壤中的穿透曲线方程，运用穿透曲线方程计算流量Q_j，流量Q_j的计算公式见关系式7，比较计算流量Q_j和实测流量Q_c，采用最小二乘法拟合确定有效孔径分布参数σ和μ；

关系式7

$Q_j={\∫}_{R_{\min }}^{R_{\max }}\frac{6.81\×{10}^{14}\mathrm{\δ}esh}{u\mathrm{\λ}\mathrm{\σ}(1+e)R_A^2}{R}^3\exp \[-\frac{1}{2{\mathrm{\σ}}^2}{\left(\lg \frac{R}{\mathrm{\μ}}\right)}^2\]dR$

关系式7中R_max和R_min分别为土壤试样的最大有效孔径和最小有效孔径，δ为土壤试样孔径的修正系数，e为土壤试样孔隙比，s为土壤试样半径，h为土壤试样长度，u为水的动力粘滞系数，λ为土壤试样的孔隙迂曲度，σ和μ为孔径分布参数，R_A为平均孔隙半径，R为土壤试样孔隙半径。

所述的试验桶包括试验桶身，在试验桶身的底部自下而上设置有透水石、滤纸，桶底上连通有积液管，积液管下放置积液容器；在试验桶身的上部设置有试验桶溢流孔，试验桶溢流孔下放置有溢流液容器；在试验桶身的顶部设置有注液容器；在试验桶身的桶内布置有上部有溢流管的乳胶膜，乳胶膜上的溢流管从试验桶溢流孔穿出。

本发明测试土壤试样有效孔径及其分布，操作简单、测试成本低；本发明是基于水在土壤试样的穿透曲线分析土壤孔径及其分布，能够避免死端孔隙对测试结果的影响；相对于压汞法等，土壤试样体积较大，测试结果能够有效反映土壤的宏观参数。

附图说明

图1为本发明第3步中所使用试验桶的结构示意图。

图中：1、注液容器，2、细砂，3土壤试样，4、试验桶身，5、滤纸，6透水石，7积液管，8积液容器，9、溢流液容器，10、溢流管，11试验桶溢流孔。

具体实施方式

采用本发明，测试江西赣南某离子型稀土矿土壤试样的有效孔径及其分布参数。

第1步：测试土壤试样的孔隙比和渗透系数

在江西赣南某离子型稀土矿，采用双环法现场测试土体渗透系数为1.36×10^-6m/s，用环刀在现场共取8个样，测试土壤试样的密度和含水量，测试得到土壤试样的平均密度为1530kg/m³和含水量为15.3％，测试得到土壤试样颗粒密度为2680kg/m³，采用关系式1计算土壤试样的孔隙比为0.96。

关系式1

$e=\frac{d_s{\mathrm{\ρ}}_w(1+w)}{\mathrm{\ρ}}-1$

关系式1中e为土壤试样孔隙比，d_s为土壤试样颗粒相对密度，ρ_w为水的密度，w为土壤试样的含水量，ρ为土壤试样密度。

第2步：测试土壤试样的孔隙迂曲度

利用现有技术测定水的表面张力、土壤试样的固液界面接触角和毛管压力曲线，采用关系式2计算土壤试样的迂曲度λ为1.98。

关系式2

$\mathrm{\λ}=\sqrt{\frac{e}{k(1+e)}\frac{{\left(\mathrm{\σ}cos\mathrm{\θ}\right)}^2}{2}{\∫}_0^1\frac{ds}{P_c^2\left(S\right)}}$

关系式2中λ为土壤试样的孔隙迂曲度，e为土壤试样孔隙比，k为土壤试样的渗透系数，σ为水的表面张力，θ固液界面接触角，S为土壤试样饱和度，P_c(S)为毛管压力曲线。

第3步：土壤试样渗透曲线测试

采用取土钻现场取样，将土样制作成土壤试样，土壤试样的直径为7cm，长度为16cm。制作有溢流管的乳胶膜，先将土壤试样装入乳胶膜中，土壤试样上端面与乳胶膜溢流管的距离为4cm。在试验桶底部放置一层滤纸和透水石，再将土壤试样装入试验桶中，使乳胶膜的溢流管与试验桶的溢流孔平齐，从试验桶的溢流孔中抽出溢流管，将乳胶膜套在试验桶中，试验桶内壁直径比土壤试样的直径大2mm。在乳胶膜中装入厚度为1.0cm的细砂后注入水，从水在土壤试样底部流出至积液容器，每隔3分钟记录一次积液容器中水的出渗量Q_c，连续记录至渗流稳定，当水在土壤试样中的流速达到其最大流速的0.99倍时判定渗流初始稳定，水初始出渗时刻t₁＝2.01h，水初始稳定出渗时刻t₂＝372.2h。

第4步：计算土壤试样孔隙的最大有效半径和最小有效半径

采用关系式3计算土壤试样的最大有效半径R_max＝5.99×10^-6m，采用关系式4计算土壤试样的最小有效半径R_min＝0.44×10^-6m。

关系式3：

$R_{max}=\sqrt{\frac{4{\mathrm{u\λ}}^{2}h}{{\mathrm{\γt}}_1}}$

关系式3中R_max为土壤试样最大有效半径，u为水的动力粘滞系数，λ为土壤试样的孔隙迂曲度，h为土壤试样长度，t₁为溶液开始出渗时间，γ为水的重度。

关系式4：

$R_{min}=\sqrt{\frac{4{\mathrm{u\λ}}^{2}h}{{\mathrm{\γt}}_2}}$

关系式4中R_min为土壤试样最小有效半径，u为水的动力粘滞系数，λ为土壤试样的孔隙迂曲度，h为土壤试样长度，t₂为渗流达到初始稳定时间，γ为水的重度。

第5步：计算土壤试样的平均有效孔径

采用关系式5计算土壤试样的平均有效孔径R_A＝2.70×10^-6m。

关系式5

$R_A=\mathrm{\δ}{\∫}_{R_{\min }}^{R_{\max }}\frac{1}{\sqrt{2\mathrm{\π}}\mathrm{\σ}ln10}\exp \[-\frac{1}{2{\mathrm{\σ}}^2}{\left(\lg \frac{R}{\mathrm{\μ}}\right)}^2\]dR$

关系式5中R_A为土壤试样的平均有效孔径，δ为土壤试样孔径的修正系数，R_max为土壤试样的最大有效半径，R_min为土壤试样的最小有效半径，R为土壤孔隙半径，σ和μ为孔径分布参数。采用关系式6计算土壤试样孔径的修正系数δ＝1.36。

关系式6

$\mathrm{\δ}\mathrm{=1/}{\∫}_{R_{\min }}^{R_{\max }}\frac{1}{\sqrt{2\mathrm{\π}}\mathrm{\σ}ln10}\exp \[-\frac{1}{2{\mathrm{\σ}}^2}{\left(\lg \frac{R}{\mathrm{\μ}}\right)}^2\]dR$

关系式6中δ为土壤试样孔径的修正系数，R_max为土壤试样的最大有效半径，R_min为土壤试样的最小有效半径，R为土壤试样孔隙半径，σ和μ为孔径分布参数。

第6步：计算土壤试样孔径分布参数

建立溶液在土壤中的穿透曲线方程，运用穿透曲线方程计算流量Q_j，流量Q_j的计算公式见关系式7，比较计算流量Q_j和实测流量Q_c，采用最小二乘法拟合确定有效孔径分布参数μ＝12.60和σ＝0.82。

关系式7

$Q_j={\∫}_{R_{\min }}^{R_{\max }}\frac{6.81\×{10}^{14}\mathrm{\δ}esh}{u\mathrm{\λ}\mathrm{\σ}(1+e)R_A^2}{R}^3\exp \[-\frac{1}{2{\mathrm{\σ}}^2}{\left(\lg \frac{R}{\mathrm{\μ}}\right)}^2\]dR$

关系式7中R_max和R_min分别为土壤中最大孔径和最小孔径，δ为土壤试样孔径的修正系数，e为土壤试样孔隙比，s为土壤试样半径，h为土壤试样长度，u为水的动力粘滞系数，λ为土壤试样的孔隙迂曲度，σ和μ为孔径分布参数，R_A为平均孔隙半径，R为土壤试样孔隙半径。

通过测试获取了稀土矿样的有效孔径及其分布参数，为设计单孔注液强度和估算孔网参数提供了依据。

Claims (2)

1.一种土壤有效孔径及其分布参数的测试方法，其特征是：包括以下步骤：

第1步：测试土壤试样的孔隙比和渗透系数

用常规手段测试试验区域土体的渗透系数，同时现场取样测试土壤试样的密度和含水量，采用关系式1计算土壤试样的孔隙比e；

关系式1

$e=\frac{d_s{\mathrm{\ρ}}_w(1+w)}{\mathrm{\ρ}}-1$

关系式1中e为土壤试样孔隙比，d_s为土壤试样颗粒相对密度，ρ_w为水的密度，w为土壤试样的含水量，ρ为土壤试样密度；

第2步：测试土壤试样的孔隙迂曲度

利用常规手段测定水的表面张力、土壤试样的固液界面接触角和毛管压力曲线，采用关系式2计算土壤试样的孔隙迂曲度λ为；

关系式2

$\mathrm{\λ}=\sqrt{\frac{e}{k(1+e)}\frac{{\left(\mathrm{\σ}cos\mathrm{\θ}\right)}^2}{2}{\∫}_0^1\frac{dS}{P_c^2\left(S\right)}}$

关系式2中λ为土壤试样的孔隙迂曲度，e为土壤试样孔隙比，k为土壤试样的渗透系数，σ为水的表面张力，θ固液界面接触角，S为土壤试样饱和度，P_c(S)为毛管压力曲线；

第3步：测试土壤试样的穿透曲线

采用取土钻现场取样，将取样制作成土壤试样，土壤试样的直径为5-10cm，长度为10-20cm；制作上部有溢流管的乳胶膜，先将土壤试样装入乳胶膜中，土壤试样上端面与乳胶膜溢流管的距离为3-5cm；在试验桶底部自上而下放置滤纸和透水石，再将土壤试样装入试验桶中，使乳胶膜的溢流管与试验桶的溢流孔平齐，从试验桶溢流孔中抽出乳胶膜的溢流管，将乳胶膜套在试验桶中，试验桶身内壁直径比土壤试样的直径大1-2mm；在乳胶膜中的土壤试样上部装入厚度为0.5-1.0cm的细砂后注入水，自水从土壤试样底部流出至积液容器开始，每隔3-5分钟记录一次积液容器中水的出渗量Q_c，连续记录至渗流稳定，当水在土壤试样中的流速达到其最大流速的0.99-1.0倍时判定渗流初始稳定，水初始出渗时为t₁时刻，渗流达到初始稳定时为t₂时刻；

第4步：计算土壤试样孔隙的最大有效半径和最小有效半径

采用关系式3计算土壤试样的最大有效半径R_max，采用关系式4计算土壤试样的最小有效半径R_min；

关系式3：

$R_{max}=\sqrt{\frac{4{\mathrm{u\λ}}^{2}h}{{\mathrm{\γt}}_1}}$

关系式3中R_max为土壤试样最大有效半径，u为水的动力粘滞系数，λ为土壤试样的孔隙迂曲度，h为土壤试样长度，t₁为溶液开始出渗时间，γ为水的重度；

关系式4：

$R_{min}=\sqrt{\frac{4{\mathrm{u\λ}}^{2}h}{{\mathrm{\γt}}_2}}$

关系式4中R_min为土壤试样最小有效半径，u为水的动力粘滞系数，λ为土壤试样的孔隙迂曲度，h为土壤试样长度，t₂为渗流达到初始稳定时间，γ为水的重度；

第5步：计算土壤试样的平均有效孔径

采用关系式5计算土壤试样的平均有效孔径R_A，

关系式5

$R_A=\mathrm{\δ}{\∫}_{R_{\min }}^{R_{\max }}\frac{1}{\sqrt{2\mathrm{\π}}\mathrm{\σ}ln10}\exp \[-\frac{1}{2{\mathrm{\σ}}^2}{\left(\lg \frac{R}{\mathrm{\μ}}\right)}^2\]dR$

关系式5中R_A为土壤试样的平均有效孔径，δ为土壤试样孔径的修正系数，R_max为土壤试样的最大有效半径，R_min为土壤试样的最小有效半径，R为土壤孔隙半径，σ和μ为孔径分布参数；采用关系式6计算土壤试样孔径的修正系数δ，

关系式6

$\mathrm{\δ}=1/{\∫}_{R_{\min }}^{R_{\max }}\frac{1}{\sqrt{2\mathrm{\π}}R\mathrm{\σ}\ln 10}\exp \[-\frac{1}{2{\mathrm{\σ}}^2}{\left(\lg \frac{R}{\mathrm{\μ}}\right)}^2\]dR$

关系式6中δ为土壤试样孔径的修正系数，R_max为土壤试样的最大有效半径，R_min为土壤试样的最小有效半径，R为土壤试样孔隙半径，σ和μ为孔径分布参数；

第6步：计算土壤试样孔径分布参数

建立溶液在土壤中的穿透曲线方程，运用穿透曲线方程计算流量Q_j，流量Q_j的计算公式见关系式7，比较计算流量Q_j和实测流量Q_c，采用最小二乘法拟合确定有效孔径分布参数σ和μ；

关系式7

$Q_j={\∫}_{R_{\min }}^{R_{\max }}\frac{6.81\×{10}^{14}\mathrm{\δ}esh}{u\mathrm{\λ}\mathrm{\σ}(1+e)R_A^2}{R}^3\exp \[-\frac{1}{2{\mathrm{\σ}}^2}{\left(\lg \frac{R}{\mathrm{\μ}}\right)}^2\]dR$

关系式7中R_max和R_min分别为土壤试样的最大有效孔径和最小有效孔径，δ为土壤试样孔径的修正系数，e为土壤试样孔隙比，s为土壤试样半径，h为土壤试样长度，u为水的动力粘滞系数，λ为土壤试样的孔隙迂曲度，σ和μ为孔径分布参数，R_A为平均孔隙半径，R为土壤试样孔隙半径。

2.根据权利要求1所述的一种土壤有效孔径及其分布参数的测试方法，其特征是：所述的试验桶包括试验桶身，在试验桶身的底部自下而上设置有透水石、滤纸，桶底上连通有积液管，积液管下放置积液容器；在试验桶身的上部设置有试验桶溢流孔，试验桶溢流孔下放置有溢流液容器；在试验桶身的顶部设置有注液容器；在试验桶身的桶内布置有上部有溢流管的乳胶膜，乳胶膜上的溢流管从试验桶溢流孔穿出。